Vorbesprechung Das Klimasystem und seine Modellierung (05-3103) Andr Paul Lehrveranstaltungen Das Klimasystem und seine Modellierung B.Sc., 3. Studienjahr, Vertiefungsmodul I und II, 05-3103, WiSe Projektbung Klimamodellierung B.Sc., 3. Studienjahr, Vertiefungsmodul III,
05-3034, SoSe Lehrveranstaltungen Earth system modelling M.Sc., 1st year, core field Climate Change, module Climate Modelling, 05-5121, Winter term Modelling past and future climate changes M.Sc., 1st year, core field Climate Change, module Climate Modelling, 05-5122, Summer term
Abrupt climate change M.Sc., 1st year, core field Climate Change, module Climate Dynamics, 05-5112, Summer term Empfohlene Literatur Dietrich, Gnter, Kurt Kalle, Wolfgang Krauss, Gerold Siedler, "Allgemeine Meereskunde", Gebrder Borntraeger, Berlin, Stuttgart, 1975.
Hartmann, Dennis L., "Global Physical Climatology", Academic Press, San Diego, 1994. Kraus, Helmut, "Die Atmosphre der Erde. Eine Einfhrung in die Meteorologie", Springer, Berlin, Heidelberg, 2004.
Stocker, T., 2004, Skript zur Vorlesung Einfhrung in die Klimamodellierung, 141 Seiten. PDF (16 MB), http://www.climate.unibe.ch/~stocker/papers/skript0405.pdf von Storch, Hans, Stefan Gss, Martin Heimann, "Das Klimasystem und seine Modellierung. Eine Einfhrung", Springer, Berlin, Heidelberg, 1999.
Vorlesungsplan Einfhrung in das Klimasystem Die globale Energiebilanz Konzeptionelle Klimamodelle: Das 0-dimensionale Energiebilanzmodell Atmosphrischer Strahlungstransport und Klima Konzeptionelle Klimamodelle: Das StrahlungsKonvektions-Modell Wrmehaushalt der Erde Wasserhaushalt der Erde (hydrologischer Kreislauf) Vorlesungsplan
Klimaempfindlichkeit und Rckkopplungsmechanismen Allgemeine atmosphrische Zirkulation und Klima Allgemeine ozeanische Zirkulation und Klima Konzeptionelle Klimamodelle: Das 1-dimensionale Energiebilanzmodell Realittsnahe globale Klimamodelle Computerbungen Das 0-dimensionale Energiebilanzmodell (global gemittelt) Das Strahlungs-Konvektions-Modell
(vertikale Erstreckung) Das 1-dimensionale Energiebilanzmodell (meridionale/Nord-Sd-Erstreckung) Benotung bungsaufgaben (~14-tgig) Kolloquium in letzten Vorlesungswoche (6.-10. Februar) in 2er-Gruppen Website
http://www.palmod.uni-bremen.de/~apau/klima/ Material_zur_LV.html Einfhrung in das Klimasystem Das Klimasystem und seine Modellierung (05-3103) Andr Paul Einfhrung in das Klimasystem
Klima Lufttemperatur Zusammensetzung der Luft
Hydrostatisches Gleichgewicht Luftfeuchtigkeit Der Weltozean
Meereis und Landeis Die Landoberflche 1. Klima Klimaelemente: Erwartungswerte der meteorologischen
Elemente an einem Ort whrend eines bestimmten Zeitraums, z. B., Jahresmittel, Verteilung im Jahresgang oder zwischenjhrliche Variabilitt Meteorologische Elemente Physikalische Grundgren, die von Raum (x,y,z) und Zeit (t) abhngen (Feldgren). Druck p Dichte
Temperatur T Feuchte q (Niederschlag P) Windgeschwindigkeit u Wetter Bremen (Mo, 17.10., 08:00) 5C C, fast wolkenlos, 92% Luftfeuchtigkeit Niederschlag : 0.0 l/m2 in 12 Std. Wolken: Untergrenze 1500 - 2000 m, Bedeckung 1/8, Gattung Sc Windgeschwindigkeit: 14 km/h Luftdruck (hPa): 1031, Tendenz (hPa in 3 Std.):
+ 0,3 Das Klimasystem bestimmt die Verteilung von Energie und Wasser nahe der Erdoberfche. Blick auf die
Erde aus dem All (Apollo Saturn, AS10, NASA, 18-26 Mai 1969) [Abbildung 1.1 aus Hartmann (1994)] Literatur: Kapitel 1 aus Hartmann, D. L., Global Physical Climatology, Academic Press, San Diego 1994.
2. Lufttemperatur Globales Mittel der Lufttemperatur an der Erdoberflche: 288 K oder 15C oder 59F Temperaturbereich (niedrigste bzw. hchste Tagestemperaturen): von -89.2C am 21. Juli 1983 in Vostok, Antarktis (3420 m NN) bis 58C am 13. September 1922 in El Asisija, Libyen (112 m NN) Zunahme aufgrund Absorption von
UV-Strahlung Abnahme zwischen ungefhr 50 und 100 km Hhe Zunahme aufgrund Absorption kurzwelliger strahlung durch Ozon Abnahme der Temperatur mit einer Rate von T 6.5 K km-1 z
Aufbau der Atmosphre definiert an Hand eines mittleren vertikalen Temperaturprofils fr 15N [Abbildung 1.2 aus Hartmann (1994); Daten aus U.S. Standard Atmosphere Supplements (1966)] Abhngigkeit von der geographischen Breite In mittleren und hohen Breiten: Temperatur der
unteren Stratosphre nahezu unabhngig von der Hhe Mittlere Temperaturprofile fr die unteren 20 km der Atmosphre in drei Breitenzonen [Abbildung 1.3 aus Hartmann (1994); Daten von Oort (1983)] Abhngigkeit von der Jahreszeit
Im Winter und Frhling in hohen Breiten: Temperatur nimmt in der unteren Troposphre mit der Hhe zu (TemperaturInversion) Oberflche strahlt langwellige Strahlung besser ab als Luft Wrme wird aus niedrigen Breiten importiert
Jahreszeitliche Schwankung der vertikalen Temperaturprofile auf 75N [Abbildung 1.4 aus Hartmann (1994); Daten von Oort (1983)] Bodennahe Lufttemperatur bersteigt 26C nahe dem quator Groe jahreszeitliche Schwankung auf
der Nordhalbkugel (mehr als 25C) Bodennahe Lufttemperatur als Funktion der geograpischen Breite fr Januar, Juli und im Jahresmittel (C) [Abbildung 1.5 aus Hartmann (1994); Daten von Oort (1983)] Kontinente im Inneren im Winter klter deutlich als
ozeanische Gebiete, im Sommer deutlich wrmer Oberflchennahe Lufttemperatur (C) im Januar (a) und im Juli (b) [Abbildung 1.6 aus Hartmann, Daten von Shea (1986)] Oberflchennahe Lufttemperatur (Daten aus der NCEP-Reanalyse) Nordwinter
(Dezember-Januar-Februar) Nordsommer (Juni-Juli-August) Groe jahreszeitliche Schwankung im Inneren Nordamerikas und Asiens Geringe jahreszeitliche
Schwankung auf der Sdhalbkugel (grerer Ozeananteil) Amplitude des Jahresgangs der Oberflchentemperatur [Abbildung 1.7 aus Hartmann (1994); Daten von Shea (1986)] 3. Zusammensetzung der Luft Luftzusammensetzung wichtig fr Wechselwirkung mit Strahlungsenergie Trockene Luft besteht hauptschlich aus
Stickstoff (78%) und Sauerstoff (21%) Die wichtigsten klimawirksamen Gase sind Wasserdampf, Kohlendioxid und Ozon [Tabelle 1.1 aus Hartmann (1994); Daten von Walker (1977)] 4. Hydrostatisches
Gleichgewicht Die vertikale Krftebilanz (Schwerkraft gleich Druckgradientenkraft) pro Masseneinheit lautet: 1 dp g . (1) dz g=9.806 m s-2: Schwerebeschleunigung. Die Zustandsgleichung eines idealen Gases verknpft p: Druck, :
Dichte, R=287.04 J kg-1 K-1: Gaskonstante fr trockene Luft und T: Temperatur. Es gilt p RT oder p . RT Einsetzen in die vertikale Krftebilanz (1) liefert
RT d p g p dz oder dp g p. dz
RT Mit der Skalenhhe RT H g ergibt sich die Differentialgleichung dp 1
p. dz H Barometrische Hhenformel Wenn die Atmosphre isotherm ist, also die Temperatur und mit ihr die Skalenhhe konstant sind, dann ergibt sich fr den hydrostatischen Druck der Ausdruck: p ps exp( z / H ),
wobei ps der Oberflchendruck ist. Die Skalenhhe betrgt fr eine mittlere Temperatur der Erdatmosphre von 255 K rund 7500 m. Beziehung zwischen Masse und Druckunterschied Die vertikale Krftebilanz (1) lsst sich auch wie folgt schreiben: dp dm dz ,
g d.h. die Masse dm zwischen zwei um dz verschiedenen Hhenflchen ist proportional zum Druckunterschied dp. Statische Grundgleichung: Vertikale Komponente der Druckgradientenkrtaft = Schwerkraft Exponentielle Abnahme mit der Hhe Untere Atmosphre am
Wichtigsten fr Klima Druck (~Masse) nahe der Oberflche am grten Vertikalprofile des Luftdrucks und des Partialdrucks von Wasserdampf (jeweils normiert auf 1013.25 hPa und 17.5 hPa) [Abbildung 1.8 aus Hartmann (1994)] 5. Luftfeuchtigkeit Die Atmosphre muss das von der
Oberflche verdunstete Wasser (Quelle) zu den Regengebieten (Senke) transportieren Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas und bildet Wolken Rasche Abnahme mit der Hhe und der geographischen Breite Wasserdampf an der Oberflche konzentriert
Warme Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen Spezifische Luftfeuchtigkeit (g/kg) [Abbildung 1.9 aus Hartmann (1994); Daten from Oort (1983)] 6. Der Weltozean bedeckt rund 71% der Erdoberflche (mittlere Tiefe: 3700 m) enthlt 97% allen Wassers auf der Erde kann groe Wrmemengen aufnehmen
und abgeben trgt zur Hlfte zum Wrmetransport vom quator zu den Polen bei ist die Quelle (fast) allen Wasserdampfs [Tabelle 1.2 aus Hartmann (1994)] Deckschicht (mixed layer, ~oberflchennahe Lufttemperatur)
Thermokline (~1 km) Zwischen- und Tiefenwasser Vertikalprofile der mittleren Temperaturen (C) [Abbildung 1.10 aus Hartmann (1994); Daten von Levitus (1982)] Deckschicht
Beispiel fr ein CTDProfil (einmalige Punktmessung) Thermokline 23S, 1130 E (GeoB 84121) 13.3.2003 METEOR-Reise M57-2 Daten von Volker Mohrholz und Toralf Heene (IOW)
Stationen und Fahrtroute M57/2 Kranzwasserschpfer mit CTD des IOW Zusammensetzung des Meerewassers [Tabelle 1.3 aus Hartmann (1994] Subtropen: P < E,
hoher Salzgehalt. Mittlere und hohe Breiten: P > E, geringer hoher Salzgehalt. Salzgehaltsbereich: 32-38 Salzgehalt beeinflusst Dichte des Meerwassers
Vertikalprofile des mittleren Salzgehalts [Abbildung 1.11 aus Hartmann (1994); Daten von Levitus (1982)] 7. Meereis und Landeis Etwa 2% des Wassers der Erde ist gefroren Fr das Klima ist nicht die Dicke, sondern die Ausdehnung des Eises wichtig (EisAlbedo-Effekt) [Tabelle 1.4 aus
Hartmann (1994] 8. Die Landoberflche Klima (Temperatur und Bodenfeuchte) bestimmt natrliche Vegetation und landwirtschaftliches Potential Vegetation, Schneebedeckung und Bodenbeschaffenheit beeinflussen das lokale und globale Klima
70% der Landflche liegen auf der Nordhalbkugel Klimate der Nord- und Sdhalbkugeln sind deutlich verschieden Bruchteil der landbedeckten Oberflche einer Breitenzone (durchgezogene Linie) und Beitrag jeder Breitenzone zur globalen Landoberflche (durchgezogene Linie). [Abbildung 1.12 aus Hartmann (1994)]
Gebirgszge beeinflussen Klima Himalaya Rocky Mountains Anden Topographie der Erde (m) [Abbildung 1.13 aus Hartmann (1994)]
Klima bestimmt Landnutzung [Tabelle 1.5 aus Hartmann (1994)]
